Jak działa odzyskiwanie i recyrkulacja ciepła spalin

Ponieważ światowe rezerwy paliw kopalnych stopniowo się zmniejszają, a zanieczyszczenie powietrza wzrasta, inżynierowie motoryzacyjni nieustannie poszukują sposobów na zwiększenie zużycia paliwa przez samochody i zmniejszenie emisji dwutlenku węgla. Jednym z najbardziej zaskakujących miejsc, w których znaleźli marnowaną energię, jest układ wydechowy samochodu. W rzeczywistości projektanci samochodów od wczesnych lat 70-tych wykorzystywali ukrytą moc spalin samochodowych. Ponieważ technologia ta poddaje recyklingowi spaliny, zanim opuścią one pojazd, pomaga również zmniejszyć emisje wytwarzane przez samochód i pomaga zwalczać zanieczyszczenie powietrza.

Technologie opracowane w celu maksymalizacji wydajności układu wydechowego pojazdu są określane zbiorczo jako odzyskiwanie i recyrkulacja ciepła spalin . Istnieje kilka sposobów wykorzystania układu wydechowego pojazdu w celu zwiększenia jego efektywności paliwowej i zmniejszenia emisji. Na przykład ciepło z układu wydechowego samochodu można wykorzystać do podgrzania płynu chłodzącego silnik, aby utrzymać go w stanie rozgrzanym, nawet gdy silnik był wyłączony przez dłuższy czas. Wnętrze auta można również ogrzać za pomocą ciepła spalin, nawet przy bardzo zimnej pogodzie. Ilość emisji podtlenku azotu (N2O) może zostać zmniejszona, a spaliny pojazdu mogą być faktycznie wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej. Termin odzysk ciepła ze spalinjest używany w procesie, w którym energia cieplna spalin jest odzyskiwana zarówno przez samochód, jak i silnik, więc jest częścią wszystkich tych technologii.

Chociaż technologie te mogą być stosowane w każdym samochodzie, ciężarówce lub SUV-ie z silnikiem spalinowym, są one szczególnie ważne dla pojazdów hybrydowych, które muszą zapewniać maksymalną wydajność paliwową i minimalną emisję. Niektóre z najbardziej zaawansowanych wdrożeń tej technologii można znaleźć w Toyocie Prius z 2010 roku. Na następnych kilku stronach przyjrzymy się, w jaki sposób inżynierowie motoryzacyjni stworzyli tę technologię.

1. Emisje podtlenku azotu
2. Recyrkulacja ciepła spalin
3. Elektryczność ze spalin

Silniki spalinowe w samochodach osobowych, ciężarówkach i innych pojazdach wytwarzają kilka rodzajów zanieczyszczeń. Jedną z najczęstszych jest emisja dwutlenku węgla, który odgrywa znaczącą rolę w globalnym ociepleniu. Redukcja emisji dwutlenku węgla stała się jednym z najważniejszych celów stojących przed inżynierami motoryzacyjnymi. Jednak silniki samochodowe wytwarzają również inne emisje. Jednym z głównych składników smogu jest N2O – podtlenek azotu – a te emisje są również wytwarzane przez silniki spalinowe.

Podobnie jak dwutlenek węgla, podtlenek azotu jest gazem cieplarnianym . Oznacza to, że zatrzymuje ciepło promieniowania słonecznego – światło słoneczne – w naszej atmosferze i wykorzystuje je do ogrzewania powierzchni Ziemi. Bez ciepła uwięzionego przez gazy cieplarniane powierzchnia ziemi byłaby zbyt zimna, by podtrzymywać życie. Jednak ważna jest odpowiednia równowaga. Podczas gdy zbyt mało zamieniłoby ziemię w zamarzniętą śnieżkę, zbyt wiele zamieniłoby ją w duszną dżunglę lub pustynię. Istoty ludzkie i nasza technologia ewoluowały, aby wymagać określonego klimatu. Wszystko, co zmienia ten klimat, może wpłynąć na nasz sposób życia, radykalnie zmieniając wzorce rolnicze i topiąc polarne czapy lodowe.

Oczywiste jest, że zmniejszenie emisji podtlenku azotu z samochodów jest tak samo ważne jak zmniejszenie emisji dwutlenku węgla, ale jak można je zmniejszyć? Podtlenek azotu jest wytwarzany w bardzo wysokich temperaturach, więc wszystko, co obniża temperaturę pracy silnika spalinowego, zmniejsza emisje N2O. Tu właśnie pojawia się recyrkulacja ciepła spalin. Porozmawiamy o tym bardziej szczegółowo na następnej stronie.

Kluczem do recyrkulacji ciepła spalin jest urządzenie zwane zaworem recyrkulacji spalin ( EGR ). Zawór EGR otwiera się, gdy napotka ciśnienie wsteczne z układu wydechowego samochodu i kieruje je z powrotem do komory spalania. Możesz się zastanawiać, co to daje, skoro powietrze w komorze miesza się z benzyną, aby było palne. Cóż, jedną rzeczą, którą robi, jest podgrzanie paliwa. Ciepłe paliwo nagrzewa się bardziej wydajnie, a zatem generuje więcej mil na galon. Gdy zawór EGR wykryje, że silnik jest wystarczająco ciepły, przekierowuje spaliny w inne miejsce, aby zapobiec przegrzaniu silnika.

Podgrzanie płynu chłodzącego i paliwa nie tylko pomaga szybciej osiągnąć optymalną temperaturę silnika po pierwszym uruchomieniu silnika, ale ma również szczególną zaletę w przypadku pojazdów hybrydowych. Większość hybryd jest zaprojektowana tak, aby silnik spalinowy wyłączał się po zatrzymaniu pojazdu. Jeśli pozostanie wyłączony przez zbyt długi czas, silnik może się ochłodzić. EGR pomaga zapobiegać zbyt szybkiemu ochładzaniu się silnika.

Jak recyrkulacja spalin zmniejsza zanieczyszczenie? Emisje, do których dąży EGR, pochodzą z tlenków azotu, które są wytwarzane w bardzo wysokich temperaturach. Mieszając spaliny samochodu z powietrzem wlotowym, zmniejsza się ilość tlenu w mieszance, a także zmniejsza się jej palność, co powoduje spalanie paliwa w niższej temperaturze. W większości układów EGR spaliny są również chłodzone, zanim zostaną zmieszane z gazem. W związku z tym paliwo zmieszane ze spalinami pali się chłodniej i mniej wytwarza N2O. Niższe temperatury przyczyniają się również do oszczędności paliwa. Ponieważ paliwo jest mniej podatne na detonację, programiści, którzy piszą procedury rozrządu dla nowoczesnych silników, mają większą kontrolę nad precyzją rozrządu silnika. Niższe temperatury pomagają również uniknąć strat energii związanej z przenoszeniem ciepła, co oznacza, że ​​więcej samochodu

Jak widzieliśmy, recyrkulacja spalin może zarówno zwiększyć wydajność paliwową, jak i zmniejszyć zanieczyszczenie. Ale czy wiesz, że może również wytwarzać energię elektryczną? Zbadamy tę koncepcję na następnej stronie.

Materiały termoelektryczne , jak sama nazwa wskazuje, mogą wytwarzać ciepło z energii elektrycznej. Materiały te zostały odkryte w 1821 roku przez niemieckiego fizyka Thomasa Seebecka. Generalnie były one zbyt drogie i nieefektywne, aby mogły być użyteczne dla inżynierów motoryzacyjnych, ale to zaczęło się zmieniać: Departament Energii USA wyraził zainteresowanie finansowaniem opracowania praktycznego systemu termoelektrycznego, który mógłby być stosowany w samochodach.

W samochodach istnieje wiele źródeł traconego ciepła, w tym chłodnica i silnik, ale największym źródłem jest prawdopodobnie spaliny. Biorąc pod uwagę, że większość samochodów już recyrkuluje spaliny w pętli EGR i że ta technologia będzie jeszcze ważniejsza w przyszłości, daje to idealną okazję do zatrzymania tego inaczej marnowanego ciepła i wykorzystania urządzeń termoelektrycznych do przekształcenia go w energię elektryczną. Ta energia elektryczna może być wykorzystywana do zasilania systemów elektrycznych samochodu, ładowania akumulatorów i, co być może, co najważniejsze, napędzania silnika elektrycznego w pojazdach hybrydowych i elektrycznych typu plug-in . Byłoby to niemal idealne połączenie kilku technologii i miałoby efekt uboczny w postaci pomocy w redukcji emisji podtlenku azotu poprzez dalsze chłodzenie spalin przed zmieszaniem ich z paliwem.

Z tego termoelektrycznego doładowania może skorzystać każdy rodzaj samochodu, ale po raz kolejny będzie on najbardziej przydatny w przypadku pojazdów hybrydowych. Poszerzyłoby to ich zasięg poprzez uzupełnienie akumulatorów napędzających silnik elektryczny i skróciłoby czas potrzebny do ich naładowania.

Rozwój paliwooszczędnych i niskoemisyjnych technologii, takich jak recyrkulacja spalin i energia termoelektryczna, sprawi, że samochody przyszłości – które będą miały niewielkie lub żadne wykorzystanie paliw kopalnych – będą możliwe. Ważne jest, abyśmy teraz opracowali te technologie, zanim wyczerpią się paliwa kopalne, a zanieczyszczenia wyrządzą znaczne szkody ziemskiej atmosferze i klimatowi.

Powiązane artykuły